Ngu ồ n g ố c và s ự t ồ n t ạ i chitin - chitosan trong t ự nhiên
Chitin và chitosan là polysaccharide tự nhiên có sản lượng lớn, chỉ sau cellulose Chitin có mặt trong cả động vật và thực vật, đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc sinh học của nhiều loài.
Chitin là một thành phần cấu trúc quan trọng trong vỏ của nhiều động vật không xương sống như côn trùng, nhuyễn thể, giáp xác và giun tròn Ở động vật bậc cao, monome của chitin đóng vai trò chủ yếu trong mô da, hỗ trợ quá trình tái tạo và liền sẹo Ngoài ra, chitin cũng xuất hiện trong thành tế bào của nấm thuộc họ Zygenmyctes, cũng như trong các sinh khối nấm mốc và một số loại tảo.
Chitin - chitosan là một polysaccharid không độc, có khối lượng phân tử lớn, được cấu tạo từ các monosaccharid N-acetyl-β-D-glucosamin liên kết với nhau qua các cầu nối glucozit, tạo thành mạng lưới sợi có tổ chức Chitin thường không tồn tại ở trạng thái tự do mà thường liên kết với protein, CaCO3 và các hợp chất hữu cơ khác thông qua các cầu nối đẳng trị.
Hình 1 : Chitin và vỏ tôm
Trong các loài thủy sản đặc biệt là trong vỏ tôm, cua, ghẹ, hàm lượng chitin - chitosan chiếm khá cao dao động từ 14 - 35% so với trọng lượng khô [5]
Vì vậy vỏ tôm, cua, ghẹ là nguồn nguyên liệu chính để sản xuất chitin - chitosan
Chitin, lần đầu tiên được phát hiện bởi Braconnot vào năm 1821 trong dịch chiết từ nấm, được ông đặt tên là “Fungine” để ghi nhớ nguồn gốc Năm 1823, Odier đã phân lập chất này từ bọ cánh cứng và gọi nó là chitin, từ “chiton” trong tiếng Hy Lạp có nghĩa là vỏ giáp, mặc dù ông không nhận ra sự có mặt của nitơ trong cấu trúc Cuối cùng, cả hai nhà khoa học đều nhận thấy rằng chitin có công thức hóa học tương tự như cellulose.
C ấ u trúc hoá h ọ c, tính ch ấ t lý hoá c ủ a chitin
C ấ u trúc hoá h ọ c c ủ a chitin
Chitin 1 có cấu trúc tinh thể rất chặt chẽ và đều đặn Bằng phương pháp nhiễu xạ tia X, người ta đã chứng minh được chitin tồn tại ở ba dạng cấu hình :α, β, γ - chitin [15]
Các dạng này của chitin chỉ do sự sắp xếp khác nhau về hướng của mỗi mắt xích (N-acetyl-D-glucosamin) trong mạch
Mỗi mắt xích trong cấu trúc chitin có thể được biểu diễn bằng mũi tên, với đầu mũi tên chỉ nhóm –CH2OH và đuôi chỉ nhóm –NHCOCH3 Cấu trúc α-chitin có các mạch sắp xếp ngược chiều nhau một cách đều đặn, tạo ra sự liên kết hydro vững chắc giữa các lớp, khiến nó trở thành dạng phổ biến trong tự nhiên Ngược lại, β-chitin và γ-chitin có cấu trúc mắt xích ghép theo kiểu song song và hai song song một ngược chiều, không có liên kết hydro giữa các lớp Đặc biệt, β-chitin có thể chuyển đổi thành α-chitin thông qua quá trình axetyl hóa, giúp tăng cường tính bền vững của cấu trúc tinh thể.
Nghiên cứu về sự thủy phân chitin cho thấy chitin là một polyme cấu trúc, được hình thành từ các đơn vị N-Acetyl-β-D-glucosamin liên kết qua liên kết β-(1-4) glucozit.
Công thức cấu tạo của chitin:
Tên gọi : Poly(1-4)-2-acetamido-2-deoxy-β-D-glucose; Poly(1-4)-2- acetamido-2-deoxy-β-D-glucopyranose
Tính ch ấ t lý hoá c ủ a chitin
Chitin là một hợp chất có màu trắng hoặc trắng phớt hồng, tồn tại dưới dạng vảy hoặc bột, không có mùi và vị, và không tan trong nước, môi trường kiềm, axit loãng cũng như các dung môi hữu cơ như ete và rượu Tuy nhiên, chitin có khả năng tan trong dung dịch đặc nóng của muối thioxianat liti (LiSCN) và thioxianat canxi (Ca(SCN)2), tạo thành dung dịch keo Ngoài ra, chitin cũng tan trong hệ dimetylacetamid - LiCl 8% và hexafluoro-isopropyl alcohol (CF3CHOHCF3) cùng với hexafluoracetone sesquihydrate (CF3COCF3.H2O).
Chitin có khả năng ổn định với các chất oxy hoá mạnh như thuốc tím (KMnO4), oxy già (H2O2) và nước javen (NaOCl - NaCl) Nhờ vào tính chất này, các chất oxy hoá được sử dụng để khử màu cho chitin.
Khi đun nóng trong dung dịch NaOH đậm đặc (40 - 50%), ở nhiệt độ cao thì chitin sẽ bị mất gốc acetyl tạo thành chitosan:
Khi đun nóng trong axit HCl đậm đặc, ở nhiệt độ cao thì chitin sẽ bị cắt mạch thu được glucosamin:
- Chitin tác dụng với HNO 3 đậm đặc cho sản phẩm chitin nitrat
- Chitin tác dụng với anhydrit sunfuric trong pyridin, dioxan và N,N-dimetylanilin cho sản phẩm chitin sunfonat.
C ấ u trúc hoá h ọ c, tính ch ấ t lý hoá sinh và độ c tính c ủ a chitosan
C ấ u trúc hoá h ọ c c ủ a chitosan
Chitosan, một trong những dẫn xuất quan trọng của chitin, nổi bật với hoạt tính sinh học cao và nhiều ứng dụng thực tiễn.
Chitosan được sản xuất một cách đơn giản mà không cần sử dụng dung môi hay hóa chất độc hại, đắt tiền Quá trình này diễn ra thông qua phản ứng deacetyl hóa chitin, trong đó nhóm N-acetyl được chuyển đổi thành nhóm amin tại vị trí C2.
Do quá trình khử acetyl xảy ra không hoàn toàn nên người ta qui ước nếu độ deacetyl hóa (degree of deacetylation) DD > 50% thì gọi là chitosan, nếu DD
Chitosan có cấu trúc tuyến tính từ các đơn vị 2-amino-2-deoxy-β-D- glucosamin liên kết với nhau bằng liên kết β-(1-4) glucozit
Công thức cấu tạo của chitosan:
Tên gọi khoa học: Poly(1-4)-2-amino-2-deoxy-β-D-glucose; poly(1-4)-2- amino-2-deoxy-β-D-glucopyranose
Chitin chỉ có một nhóm chức hoạt động -OH, trong khi chitosan có hai nhóm chức -OH và -NH2, khiến chitosan dễ dàng tham gia vào các phản ứng hóa học hơn chitin Các mạch chitin và chitosan thường đan xen nhau, tạo ra nhiều sản phẩm đồng thời, làm cho việc tách và phân tích chúng trở nên phức tạp.
Tính ch ấ t lý hoá c ủ a chitosan
Chitosan có màu trắng ngà hoặc màu vàng nhạt, tồn tại dạng bột hoặc dạng vảy, không mùi, không vị, nhiệt độ nóng chảy 309 - 311 0 C
Chitosan là một hợp chất có tính kiềm nhẹ, không tan trong nước và kiềm, nhưng có khả năng hòa tan trong dung dịch axit hữu cơ loãng như axit acetic, axit fomic và axit lactic, tạo thành dung dịch keo nhớt trong suốt Đặc biệt, chitosan có thể hòa tan trong dung dịch axit acetic 1 - 1.5% Độ nhớt của chitosan trong dung dịch axit loãng phụ thuộc vào kích thước và khối lượng phân tử trung bình của nó Chitosan cũng có khả năng kết hợp với aldehit dưới điều kiện thích hợp để hình thành gel, từ đó có thể bẫy tế bào và enzym Ngoài ra, chitosan phản ứng với axit đậm đặc tạo ra muối khó tan và có phản ứng lên màu tím khi tác dụng với iod trong môi trường H2SO4.
Một số dẫn xuất chitosan [26]:
Hình 3 : Sơ đồ các dẫn xuất đi từ chitin, chitosan.
Tính ch ấ t sinh h ọ c c ủ a chitosan
Chitosan không độc, dùng an toàn cho người [18] Chúng có tính hoà hợp sinh học cao với cơ thể [19], có khả năng tự phân huỷ sinh học [20]
Chitosan sở hữu nhiều tác dụng sinh học đa dạng, bao gồm khả năng kháng nấm và kháng khuẩn với nhiều chủng loại khác nhau Nó cũng kích thích sự phát triển và tăng sinh của tế bào, đồng thời nuôi dưỡng tế bào trong điều kiện thiếu dinh dưỡng và có tác dụng cầm máu hiệu quả.
Ngoài ra, chitosan còn có tác dụng làm giảm cholesterol và lipid máu, hạ huyết áp [22], điều trị bệnh thận mãn tính, chống rối loạn nội tiết [23]
Chitosan được sử dụng trong điều trị bệnh tiểu đường nhờ khả năng thúc đẩy hoạt động của peptit insulin và kích thích tiết insulin từ tuyến tụy Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng chitosan có khả năng kháng đột biến, tăng cường hệ thống miễn dịch, khôi phục bạch cầu, hạn chế sự phát triển của tế bào u, ung thư, HIV/AIDS, cũng như có tác dụng chống tia tử ngoại và giảm ngứa.
Độ c tính c ủ a chitosan
Năm 1968, K Arai và cộng sự đã chứng minh rằng chitosan có độ độc hại rất thấp, với chỉ số LD50 đạt 16g/kg trọng lượng cơ thể, không gây độc hại cho động vật thí nghiệm và con người, cũng như không gây độc tính kéo dài.
Nghiên cứu tiêm chitosan qua đường tĩnh mạch trên thỏ cho thấy chitosan là vật liệu có tính tương thích sinh học cao, là chất mang lý tưởng cho hệ thống vận chuyển thuốc Chitosan không chỉ thích hợp cho các phương pháp sử dụng như đường uống, tiêm tĩnh mạch, tiêm bắp, tiêm dưới da mà còn an toàn trong ghép mô.
Chitosan với trọng lượng phân tử trung bình thấp, khi tiêm tĩnh mạch, không gây tích tụ ở gan Loại chitosan này có độ tan (DD) khoảng 50% và khả năng phân hủy sinh học cao Sau khi tiêm vào ổ bụng chuột, chitosan được thải trừ nhanh chóng qua thận và nước tiểu, không phân bố đến gan và lá lách.
Chitosan có nhiều ưu điểm nổi bật như tính chất cơ học tốt, không độc hại, dễ dàng tạo thành màng và khả năng tự phân hủy sinh học Ngoài ra, chitosan còn hòa hợp sinh học với cả động vật và mô thực vật, làm cho nó trở thành vật liệu y sinh lý tưởng giúp thúc đẩy quá trình liền vết thương.
M ộ t s ố ứ ng d ụ ng c ủ a chitin và chitosan
Trước đây, việc chiết tách chitin từ thực vật biển gặp khó khăn do nguồn nguyên liệu hạn chế Hiện nay, chitin chủ yếu được chiết xuất từ vỏ tôm và cua, nhưng trước đây, các chất thải này thường bị thải ra môi trường, gây ô nhiễm Vào năm 1977, Viện Kỹ thuật đã bắt đầu nghiên cứu để khai thác nguồn nguyên liệu này một cách hiệu quả hơn.
Tại Massachusetts, nghiên cứu về giá trị của chitin và protein trong vỏ tôm, cua cho thấy việc thu hồi các chất này mang lại lợi ích lớn cho ngành công nghiệp Protein thu được có thể được sử dụng để chế biến thức ăn cho gia súc, trong khi chitin sẽ được sử dụng làm nguyên liệu để sản xuất các dẫn xuất có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp.
Nghiên cứu sản xuất chitin - chitosan và ứng dụng của chúng trong đời sống là một lĩnh vực mới mẻ tại Việt Nam Từ năm 1978 đến 1980, Trường đại học Thủy sản Nha Trang đã công bố quy trình sản xuất chitin - chitosan nhưng chưa có ứng dụng thực tiễn Gần đây, nhu cầu xử lý phế liệu thủy sản đông lạnh ngày càng cấp bách, cùng với các thông tin kỹ thuật mới về chitin - chitosan và tiềm năng thị trường, đã thúc đẩy các nhà khoa học Việt Nam nghiên cứu hoàn thiện quy trình sản xuất và khám phá các ứng dụng trong sản xuất công nghiệp.
Hiện nay, nhiều cơ sở khoa học tại Việt Nam đang tiến hành nghiên cứu và sản xuất chitin và chitosan, trong đó có Trường Đại Học Nông Lâm TP Hồ Chí Minh, Trung tâm Nghiên cứu Polyme thuộc Viện Khoa Học Việt Nam, và Viện Hóa học.
Viện Khoa Học Việt Nam tại thành phố Hồ Chí Minh và Trung tâm công nghệ sinh học Thủy sản thuộc Viện nghiên cứu nuôi trồng Thủy sản 2 đang tích cực nghiên cứu và phát triển công nghệ trong lĩnh vực thủy sản Tại miền Bắc, Viện Khoa Học Việt Nam đã hợp tác với Xí nghiệp thủy sản để nâng cao chất lượng và hiệu quả trong ngành nuôi trồng thủy sản.
Hà Nội sản xuất chitosan và ứng dụng trong lĩnh vực nông nghiệp ở đồng lúa
Thái Bình đã đạt được những kết quả đáng khích lệ trong lĩnh vực công nghệ và sinh học thủy sản Tại miền Nam, Trung tâm công nghệ và sinh học thủy sản đã hợp tác với Đại Học Y Dược thành phố Hồ Chí Minh và các cơ quan khác để thúc đẩy nghiên cứu và ứng dụng trong ngành.
Việt Nam, Viện Khoa Học nông nghiệp miền nam,… đang nghiên cứu sản xuất và ứng dụng chitin - chitosan trong lĩnh vực: nông nghiệp, y dược và mỹ phẩm
Chitosan trong nông nghiệp được sử dụng để bảo vệ hạt giống khỏi sự tấn công của nấm trong đất, đồng thời giúp cố định phân bón và thuốc trừ sâu, tăng cường khả năng nảy mầm của hạt.
Nghiên cứu về ảnh hưởng của chitosan và các nguyên tố vi lượng đối với chỉ tiêu sinh hóa của mạ lúa ở nhiệt độ thấp cho thấy chitosan vi lượng có tác dụng tích cực, làm tăng hàm lượng diệp lục và nitơ, đồng thời nâng cao mức độ các enzym như amylaza, catalaza và peroxidaza.
Ngày nay chitosan còn được dùng làm nguyên liệu bổ xung vào thức ăn cho tôm, cá, cua để kích thích sinh trưởng
Chitin và chitosan, cùng với các dẫn xuất của chúng, đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Một số ứng dụng tiêu biểu bao gồm chỉ khâu tự huỷ và da nhân tạo, thể hiện tiềm năng lớn của chúng trong y học và công nghiệp.
Thấu kính chiết xuất đang được nghiên cứu với nhiều ứng dụng tiềm năng, bao gồm tác động kích thích miễn dịch, khả năng chống phát triển khối u, đặc tính giảm cholesterol máu và điều trị bỏng nhiệt.
Da nhân tạo được chế tạo từ chitin, có cấu trúc giống như một tấm vải, được sử dụng để bọc vết thương chỉ một lần cho đến khi lành Loại da này có khả năng phân hủy sinh học từ từ, giúp hình thành lớp biểu bì mới Nó không chỉ có tác dụng giảm đau mà còn hỗ trợ quá trình phục hồi biểu bì cho các vết sẹo bỏng một cách nhanh chóng Nghiên cứu tại Trường Đại Học Dược Hà Nội đã chỉ ra những lợi ích vượt trội của da nhân tạo trong việc điều trị vết thương.
Trung tâm khoa học tự nhiên và công nghệ Quốc gia, thuộc Học Y Hà Nội, đã thành công trong việc chế tạo loại da nhân tạo và bước đầu ứng dụng hiệu quả trong thực tiễn.
Chitin và chitosan, cùng với các oligome của chúng, có khả năng kích thích hệ miễn dịch bằng cách tăng cường hoạt động của các tế bào bảo vệ chống lại tế bào khối u và các tác nhân gây bệnh.
Nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng oligome, N-acetyl-glucosamin và glucosamin có những đặc tính tương tự như các polyme, nhưng chúng có ưu điểm vượt trội là dễ tan trong nước, giúp tăng cường khả năng hấp thụ.
Chitosan hiện đang được sử dụng thành công như một chất mang để cố định enzym và tế bào, mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong công nghiệp, y học và khoa học phân tích Việc cố định enzym cho phép sử dụng lâu dài mà không cần thay đổi chất xúc tác, đặc biệt hiệu quả trong công nghệ làm sạch nước và làm trong nước hoa quả Chitosan đáp ứng các yêu cầu cần thiết với phân tử lượng lớn, bền vững, không tan và ổn định với các yếu tố hóa học.
C ấ u trúc hóa h ọ c, tính ch ấ t lý hóa c ủ a glucosamin
Khi chitin được thủy phân trong môi trường axit HCl đậm đặc, các liên kết amid và osid bị phá hủy, dẫn đến sự hình thành glucosamin 3, một monome của chitosan.
Nồng độ axit và nhiệt độ thủy phân là hai yếu tố quan trọng trong quá trình deacetyl hóa và deosid Nếu nồng độ axit không thích hợp, quá trình này sẽ chỉ đạt được một mức độ nhất định Ngoài ra, nếu nhiệt độ không được điều chỉnh đúng, glucosamin có thể bị phân hủy thành các phân tử đơn giản hơn.
Công thúc cấu tạo của glucosamin:
Tên UIPAC: (3R,4R,5S,6R)-3-amino-6-(hydroxymethyl)oxane-2,4,5-triol Tên gọi khác: 2-Amino-2-deoxy-D-glucose; 2-amino-2-deoxy-β-D- glucopyranose; chitosamine; D-glucosamine; D-(+)- glucosamine
Hình 4 : Cấu trúc không gian của glucosamin
Glucosamin là một hợp chất dạng tinh thể, không màu và không mùi, với nhiệt độ nóng chảy khoảng 88°C và điểm phân hủy ở 110°C Chất này có khả năng tan trong nước và methanol sôi, hơi tan trong methanol hoặc ethanol, nhưng không tan trong ether và chloroform.
Một số phản ứng của glucosamin [14]:
Giống như glucose, glucosamin cho phản ứng tráng bạc khá rõ ràng
• Phản ứng với Cu(OH)2
Sản phẩm có màu xanh nhạt
CHO CHNH 2 CHO CHO CHOH
Phản ứng xác nhận có mặt của NH 2 Bazơ Shiff tạo ra dưới dạng keo sánh màu nâu.
C ấ u trúc hóa h ọ c, tính ch ấ t v ậ t lý m ộ t s ố mu ố i c ủ a glucosamin
Glucosamin hydroclorua
Tên gọi khoa học: 2-amino-2-deoxy-D-glucopyranose hydrochloride; Chitosamine hydrochloride; D-glucosamine hydrochloride; D-(+)-glucosamine hydrochloride
Công thức phân tử: C 6 H 13 O 5 N.HCl
Phân tử lượng: Mglucosamin.HCl = 215.63
Glucosamin hydroclorua là chất rắn dạng tinh thể màu trắng, không mùi Điểm nóng chảy 190-194 0 C Độ tan trong nước 0,1g/ml
Glucosamin sulfat
Tên gọi khoa học: 2-Amino-2-deoxy-D-glucose sulfate; D-glucosamine sulfate
Công thức phân tử: C 6 H 13 O 5 N.H 2 SO 4
Phân tử lượng: Mglucosamin.H2SO4 = 277,24
Acetyl glucosamin
Tên gọi khoa học: 2-Acetoamido-2-deoxy-D-glucopyranose; N-acetyl-D- (+)-glucosamine; N-acetyl-β-D-glucosaminide; N-acetylchitosamine
Phân tử lượng: Macetylglucosamin = 221,21 Điểm nóng chảy: 201 - 210 0 C Độ tan trong nước, 0,1g/ml
D ượ c lý và d ượ c độ ng h ọ c c ủ a glucosamin và mu ố i c ủ a nó
Glucosamin là một aminomonosacharit tự nhiên, đóng vai trò quan trọng trong việc tổng hợp proteoglycan Nó kích thích tế bào sụn khớp gia tăng quá trình tổng hợp và trùng hợp, từ đó tạo ra cấu trúc proteoglycan bình thường Quá trình này dẫn đến sự hình thành mucopolysaccharit, thành phần thiết yếu của sụn khớp Sụn khớp chủ yếu được cấu tạo từ nước, collagen và proteoglycan.
Glucosamin có khả năng ức chế các enzyme như collagenase và phospholipase A2, đồng thời giảm thiểu các gốc tự do superoxide gây hại cho tế bào sụn Ngoài ra, glucosamin còn kích thích quá trình sinh tổng hợp sụn, góp phần bảo vệ và phục hồi sức khỏe khớp.
Hình 5: Hình ảnh đau xương đốt cột sống
Hình 6: Khớp nối chế các enzym phá h sản mô liên kết của xương, giảm quá trình mất canxi của xương [9]
Thiếu glucosamin có thể dẫn đến tổn thương sụn, đặc biệt là ở khớp háng và đầu gối, gây ra tình trạng cứng khớp và giảm sản xuất chất nhầy trong dịch khớp, góp phần vào cơ chế sinh bệnh của thoái hóa khớp.
Từ tuổi 45 - 50 trở lên, bệnh có chiều hướ
45% ở ó khả năng giải phóng và sản sinh mucop ẫn xuất glucosamin thông dụng được dùng phổ biến hiện nay là:
Glucosamin được biết đến với tác dụng tăng cường thành phần trong điều trị viêm khớp và thoái hóa khớp Tuy nhiên, nghiên cứu mới của tiến sĩ Ronald chỉ ra rằng nó có thể tạo ra gai xương, gây biến dạng khớp và hạn chế vận động, dẫn đến sự tiến triển của bệnh viêm xương khớp.
Glucosamin có tác dụng làm tăng độ nhớt và khả năng bôi trơn của dịch khớp, giúp giảm triệu chứng thoái hóa khớp như đau và khó vận động Ngoài ra, glucosamin còn có khả năng ngăn chặn quá trình thoái hóa khớp, từ đó ngăn ngừa bệnh tiến triển.
Thuốc tác động đến khớp giúp điều trị các bệnh thoái hóa xương khớp ở cả giai đoạn cấp và mãn tính, cải thiện chức năng khớp, ngăn chặn sự tiến triển của bệnh và phục hồi cấu trúc sụn khớp.
Các vị trí khớp nối ng tăng đáng kể, với tỷ lệ 27% ở độ tuổi 60 và 70% ở độ tuổi 80 Người già, người béo phì, những người từng bị chấn thương khớp, có dị tật bẩm sinh, mắc bệnh chuyển hóa, di truyền hoặc rối loạn hormone là những đối tượng có nguy cơ cao mắc bệnh khớp.
Các muối của glucosamin c olysacharit khuếch tán tốt vào dịch khớp, phát huy tốt tác dụng chống viêm khớp
Acetyl glucosamin có tác dụng tích cực trong việc phục hồi các proteoglycan ở những vùng mô sụn hư hỏng, nhưng không ảnh hưởng đến các vùng sụn khớp bình thường.
Những năm gần đây, glucosamin được dùng rộng rãi
Tallari hược điểm c osamin, chondr samin như : Lubrex, Lubrex ucosamin với các loại thuốc NSAID, cho kết quả
Nghiên cứu tại Đại học Y khoa Temple, Philadelphia, cho thấy glucosamin đơn độc không hiệu quả trong việc giảm đau Tuy nhiên, khi kết hợp glucosamin với một loại thuốc nhóm kháng viêm không steroid (NSAID), tác dụng giảm đau và chống viêm được cải thiện đáng kể.
Thuốc glucosamin đã chứng minh nhiều ưu điểm vượt trội trong điều trị so với các thuốc NSAID, đặc biệt là về mặt tác dụng phụ Trong khi NSAID có thể gây ra nhiều tác dụng phụ không mong muốn, glucosamin lại ít khi gây ra tác dụng phụ, chỉ có một số trường hợp dị ứng nhẹ đối với những người có cơ địa nhạy cảm.
Trước đây glucosamin được xếp vào nhóm thuốc bảo vệ sụn (gồm có gluc
Hình 8 : Một số thuốc glucosamin hiện đang lưu bày trên thị trường Việt
Nam oitin và diacerin) hay thuốc tác dụng chậm với các bệnh viêm khớp Hiện nay cơ quan
Dược phẩm Châu Âu (EMEA) đã công nhận glucosamin là một loại thuốc có khả năng cải thiện cấu trúc trong điều trị viêm khớp, trong khi các loại thuốc khác chưa được chấp nhận do không đáp ứng đủ tiêu chí lâm sàng Tại Việt Nam, một số loại thuốc chứa glucosamin đang được sử dụng rộng rãi.
-F, Glucosamin, Glusivac,…[9] Nhưng các thuốc này chủ yếu vẫn nhập khẩu từ nước ngoài Đã có rất nhiều nghiên cứu thử nghiệm so sánh gl như sau [8]:
1.Cải thiện triệu chứng viêm khớp tương đương với NS và vượt trội hơn hẳn nếu uống thuốc thời gian dài.
M ộ t s ố quy trình s ả n xu ấ t chitin, chitosan
Trên th ế gi ớ i
Vỏ cua khô và sạch được xử lý bằng phương pháp khử khoáng bằng H trong 1 giờ, với hiệu quả khử khoáng có thể đạt tới 100%.
Quá trình khử protein và deacetyl đồng thời trong dung dịch NaOH 15N ở nhiệt độ 150°C trong 1 giờ cho thấy protein được tách ra hoàn toàn và độ deacetyl hóa đạt trên 70% Sau khi rửa sạch và làm khô trong 1 giờ, chitosan thành phẩm sẽ được thu được.
Phương pháp sản xuất chitosan này có quy trình đơn giản và thời gian sản xuất ngắn hơn so với các phương pháp khác, sử dụng ít hóa chất như HCl và NaOH, giúp thu được chitosan có độ tinh khiết cao Tuy nhiên, sản phẩm chitosan có độ nhớt thấp và tiêu tốn nhiều năng lượng trong quá trình sản xuất.
1.8.1.2 Quy trình sản xuất chitin của Hackman [3]
Vỏ tôm hùm được rửa sạch và sấy khô ở nhiệt độ 100°C Sau đó, chúng được khử khoáng bằng HCl 2N với tỷ lệ w/v = 1/10 ở nhiệt độ phòng trong 5 giờ Cuối cùng, vỏ tôm hùm được rửa trung tính, sấy khô lại ở 100°C và xay nhỏ.
Ngâm nguyên liệu trong dung dịch HCl 2N với tỷ lệ w/v=1/2,5 ở nhiệt độ phòng trong 48 giờ, sau đó ly tâm và rửa trung tính Tiếp theo, ngâm bã đã rửa trong dung dịch NaOH 1N với tỷ lệ w/v=1/2,5 ở 100°C trong 42 giờ, rồi ly tâm Lặp lại quá trình ngâm trong NaOH 1N với cùng tỷ lệ và nhiệt độ trong 12 giờ, sau đó ly tâm và rửa trung tính Cuối cùng, làm sạch bằng cách ly tâm với nước, etanol và ete, rồi sấy khô để thu được sản phẩm dạng bột màu kem.
Quy trình Hackman có nhiều công đoạn nhằm tăng khả năng khử khoáng và khử protein, nhưng do tính cồng kềnh và thời gian thực hiện kéo dài, nó chỉ phù hợp cho vỏ tôm hùm, tôm mũ ni và vỏ cua Vì vậy, quy trình này chủ yếu mang tính nghiên cứu thí nghiệm và không khả thi cho sản xuất đại trà, hiện chỉ dừng lại ở sản phẩm chitin.
1.8.1.3 Quy trình sản xuất chitosan của Pháp [3]
Nguyên liệu vỏ tôm được hấp chín, phơi khô và xay nhỏ Sau đó, protein được khử bằng NaOH 3,5% ở nhiệt độ 65°C trong 2 giờ, rồi rửa trung tính Tiếp theo, ngâm trong HCl 1N với tỷ lệ w/v=1/10 ở nhiệt độ phòng trong 2 giờ, sau đó tẩy màu hữu cơ bằng aceton với tỷ lệ w/v=1/5 trong 30 phút Quá trình tiếp theo là tẩy màu bằng nước javen 0,135% trong 6 phút, rồi rửa trung tính để thu được chitin sạch Cuối cùng, chitin được deacetyl hóa bằng NaOH 40% ở 85°C trong 4 giờ, sau đó rửa trung tính để thu được chitosan.
Quy trình sản xuất này có ưu điểm là thời gian ngắn và sản phẩm đạt màu sắc đẹp nhờ vào hai bước khử sắc tố Tuy nhiên, NaOCl là chất oxy hóa mạnh, ảnh hưởng đến cấu trúc polyme, dẫn đến giảm độ nhớt sản phẩm Bên cạnh đó, aceton có giá thành cao và tổn thất lớn, làm tăng chi phí sản phẩm Hơn nữa, các yếu tố liên quan đến an toàn sản xuất khiến công nghệ này khó áp dụng trong điều kiện sản xuất hiện tại ở nước ta.
1.8.1.4 Phương pháp điều chế chitin của Capozza [17]
Cân 149g vỏ tôm sạch cho vào bình khuấy, thêm từ từ 825ml axit HCl 2N và thực hiện phản ứng ở 4°C trong 48 giờ Sau khi khử khoáng, rửa sản phẩm bằng nước đến pH = 7 và xác định hàm lượng tro 0,4 - 0,5% Tiếp theo, khuấy sản phẩm ở nhiệt độ phòng với 1500ml axit fomic HCOOH 90% qua đêm, sau đó lọc ly tâm để lấy bã và rửa lại nhiều lần cho đến khi pH = 7 Ngâm sản phẩm trong 2 lít dung dịch NaOH 10% và đun nóng ở 90 - 100°C trong 2,5 giờ, sau đó lọc và rửa sạch với nước đến pH = 7, rồi tráng rửa trong ethanol 96° và ether Cuối cùng, sấy khô ở 40°C dưới áp suất giảm, thu được 66g chitin khô sạch với hiệu suất 44,3%.
T ạ i Vi ệ t Nam
1.8.2.1 Quy trình sản xuất chitosan của Đỗ Minh Phụng [3]
Nguyên liệu là vỏ tôm khô được khử khoáng bằng HCl 6N với tỷ lệ w/v=1/2,5, ở nhiệt độ phòng, sau 48 giờ đem rửa trung tính, tiếp theo đun trong
NaOH 8% với tỷ lệ w/v=1/1,5, ở nhiệt độ 100 0 C, sau 2 giờ khử protein rồi đem rửa trung tính
Tiến hành tẩy màu chitin bằng dung dịch KMnO4 1% trong môi trường H2SO4 10% trong 1 giờ Sau đó, rửa sạch và khử màu phụ bằng Na2S2O3 1,5% trong 15 phút, rồi vớt ra và rửa sạch để thu được chitin.
Deacetyl chitin bằng NaOH 40% với tỷ lệ w/v=1/1, ở nhiệt độ 80 0 C sau 24 giờđem rửa sạch và cuối cùng thu được chitosan
Sản phẩm có chất lượng tốt và màu sắc đẹp Tuy nhiên, việc sử dụng nhiều chất oxy hóa trong thời gian dài có thể ảnh hưởng đến độ nhớt của sản phẩm.
1.8.2.2 Quy trình sản xuất chitosan ở Trung tâm cao phân tử Viện Khoa
Nguyên liệu sử dụng là vỏ ghẹ hoặc vỏ tôm đã được làm sạch và khử khoáng lần đầu bằng dung dịch HCl 4% ở nhiệt độ phòng Sau 24 giờ, nguyên liệu được rửa trung tính nhằm giảm thiểu lượng tạp chất còn lại.
NaOH tiêu hao ở công đoạn sau
Nấu chitosan trong NaOH 3% ở nhiệt độ 90 - 95 độ C trong 3 giờ, sau đó rửa trung tính Tiếp theo, khử khoáng lần 2 bằng HCl ở nhiệt độ phòng trong 24 giờ, rồi rửa trung tính lần nữa Tiến hành nấu lần 2 trong NaOH 3% ở nhiệt độ 90 - 95 độ C trong 3 giờ và rửa trung tính Cuối cùng, nấu trong NaOH 40%, rửa trung tính và sấy khô để thu được chitosan.
Sản phẩm chitosan được sản xuất theo quy trình này có màu sắc kém hơn so với sản phẩm được chế biến theo quy trình của kỹ sư Đỗ Minh Phụng, và thời gian thực hiện quy trình cũng kéo dài với nhiều công đoạn phức tạp.
1.8.2.3 Quy trình sản xuất chitin của Xí nghiệp thủy sản Hà Nội [3]
Nguyên liệu sử dụng là vỏ tôm khô hoặc tươi đã được loại bỏ tạp chất Quy trình bắt đầu bằng cách xử lý tách khoáng lần 1 với HCl 4% theo tỷ lệ w/v=1/2 ở nhiệt độ phòng trong 24 giờ, sau đó rửa trung tính Tiếp theo, sử dụng NaOH 2% để tách protein lần 1 với tỷ lệ w/v=1/2,8 ở nhiệt độ 90°C trong 3 giờ, sau đó rửa và thực hiện khử khoáng lần 2 với HCl 4% theo tỷ lệ w/v=1/2 ở nhiệt độ phòng trong 24 giờ, rồi rửa trung tính Cuối cùng, tách protein lần 2 cũng bằng NaOH 2% theo tỷ lệ w/v=1/2,8 ở 90°C trong 3 giờ, rửa trung tính và tiến hành khử khoáng lần 3 như các lần trước.
Sản phẩm đem làm khô thu được chitin
Chitin thu được có độ trắng cao mà không cần tẩy màu, tuy nhiên quy trình sản xuất kéo dài và sử dụng nồng độ hóa chất cao Thời gian xử lý dài, đặc biệt trong công đoạn khử khoáng, có thể làm cắt mạch polymer trong môi trường axit, dẫn đến giảm độ nhớt của sản phẩm.
1.8.2.4 Quy trình sản xuất chitosan theo phương pháp sinh học kết hợp hóa học [3]
Việc sản xuất chitosan theo phương pháp sinh học kết hợp hóa học cũng thực hiện theo các bước : khử khoáng, khử protein và deacetyl
Công đoạn khử khoáng hiệu quả nhất và duy nhất chỉ thực hiện bằng phương pháp hóa học
Công đoạn khử protein và deacetyl có thể thay thế bằng phương pháp sinh học, đó là khử protein bằng proteaza và deacetyl bằng enzym deacetylaza
Vỏ tôm được ngâm trong dung dịch HCl 10% với tỷ lệ w/v 1/10 ở nhiệt độ phòng trong 5 giờ, sau đó rửa sạch đến pH 7 Tiếp theo, protein được khử bằng papain 13% với tỷ lệ w/v 1/5, pH 5 - 5,5, ở nhiệt độ 70 - 80°C trong 4 giờ Sau khi rửa sạch, vỏ tôm được tẩy màu và sấy khô ở 60°C để thu được chitin khô, trắng Cuối cùng, chitin được deacetyl hóa bằng NaOH 35% với tỷ lệ w/v 1/10 ở 90°C trong 5,5 giờ, sau đó rửa sạch và sấy khô để thu được chitosan sạch.
Chitosan thu được có màu trắng, đẹp, trong và mềm mại, với độ nhớt cao hơn so với các quy trình khác Tuy nhiên, việc tìm mua hoặc sản xuất enzym deacetylaza gặp nhiều khó khăn, do đó công đoạn deacetyl được thực hiện bằng cách nấu NaOH đậm đặc.
Quy trình s ả n xu ấ t glucosamin hydroclorua (glu.HCl)
Quy trình s ả n xu ấ t glu.HCl c ủ a Tr ầ n Th ị Luy ế n
Để khử khoáng vỏ tôm, ngâm trong dung dịch HCl 10% với tỷ lệ w/v 1/10 ở nhiệt độ phòng trong 5 giờ, sau đó rửa sạch đến pH=7 Tiếp theo, thực hiện khử protein và deacetyl hóa bằng NaOH 40% với tỷ lệ w/v 1/10.
Chitosan được xử lý bằng cách đun trong HCl 35% với tỷ lệ w/v = 1/4 ở nhiệt độ 95 - 100°C trong 4 giờ Sau khi lọc bỏ cặn, sản phẩm được làm lạnh ở 0 - 2°C trong 2 giờ để kết tinh Trước đó, quá trình tẩy màu và rửa sạch chitosan đã được thực hiện trong 6,5 giờ.
Quá trình tinh chế bao gồm lọc tách kết tinh, hòa tan trong nước cất, khử màu bằng than hoạt tính, cô cạn và thực hiện lại kết tinh Sau khoảng ba lần kết tinh, thu được tinh thể trắng, sau đó lọc và rửa tinh thể bằng cồn, cuối cùng sấy khô ở nhiệt độ 50 - 60 độ C.
Quy trình s ả n xu ấ t glu.HCl c ủ a Đỗ Đ ình Rãng
Vỏ tôm được làm sạch, nghiền thành bột, sau đó đun sôi với nước trong 2 giờ để loại bỏ protein và sấy khô Nguyên liệu khô được xử lý trong HCl 5% để tách khoáng, rửa sạch đến pH=7 và sấy khô Tiếp theo, protein được khử hoàn toàn bằng NaOH 5% và đun sôi, sau đó rửa sạch đến pH=7 và sấy khô, thu được chitin có màu trắng phớt hồng Chitin được chuyển hóa thành glucosamin qua quá trình thủy phân trong dung dịch axit HCl đậm đặc 36% ở nhiệt độ 95 - 100 độ C, sau đó tẩy màu bằng than hoạt tính, kết tinh và lọc Cuối cùng, sản phẩm được sấy khô, thu được tinh thể glucosamin hydroclorua trắng với hiệu suất 51,4%.
Ch ươ ng II: ĐỐ I T ƯỢ NG VÀ PH ƯƠ NG PHÁP
Đố i t ượ ng nghiên c ứ u
Sử dụng các hóa chất tinh khiết như axit hydrocloric (HCl), natri hydroxit (NaOH), kali permanganat (KMnO4), axit oxalic (C2H2O4), oxy già (H2O2), và axit acetic (CH3COOH) là rất quan trọng Bên cạnh đó, các dung môi như nước cất, methanol, và ethanol cũng đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng hóa học.
Bình tam giác, bình cầu cổ nhám và cốc thủy tinh là những dụng cụ quan trọng trong phòng thí nghiệm Cân phân tích và nhiệt kế giúp đo lường chính xác, trong khi thiết bị đo điểm nóng chảy hỗ trợ nghiên cứu vật liệu Tủ sấy và bình hút ẩm giữ cho mẫu vật trong điều kiện tối ưu, còn thiết bị gia nhiệt và khuấy từ giúp thực hiện các phản ứng hóa học hiệu quả Cuối cùng, sinh hàn hồi lưu và dụng cụ lọc đóng vai trò quan trọng trong quy trình tách chiết và tinh chế.
Ph ươ ng pháp nghiên c ứ u
Sử dụng phương pháp chiết tách hóa học, vỏ tôm được xử lý để thu được chitin, sau đó tiến hành deacetyl hóa chitin trong dung dịch NaOH đậm đặc để tạo ra chitosan.
2 Tổng hợp glucosamin hydroclorua từ chitin và chitosan
3 Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng tới phản ứng như: thời gian phản ứng, nhiệt độ phản ứng và nồng độ tác nhân tác nhân phản ứng
4 Kiểm tra cấu trúc của sản phẩm điều chế ra thông qua các loại phổ như :
IR, 1 H-NMR, 13 C-NMR tại Viện Hóa Học – Viện Khoa Học Việt Nam So sánh với các số liệu phổđã công bốđể xác định cấu trúc sản phẩm
- Đo phổ IR trên máy FTR – IMPACT 410 của hãng Nicolet
- Đo phổ 1 H – NMR và 13 C – NMR trên máy Bruker AC- 500MHz trong dung môi D2O
5 Kiểm tra, đo một số thông số như nhiệt độ nóng chảy trên máy Boetius –
Phương pháp xác định hàm lượng chất không tan dựa trên nguyên lý rằng chitosan có khả năng tan trong axit acetic loãng, trong khi chitin và các tạp chất khác không tan Để thực hiện, cần cân chính xác một gam chitosan, hòa tan trong dung dịch axit acetic 1%, khuấy đều trong 60 phút cho đến khi chitosan hoàn toàn tan, sau đó lọc và rửa cặn bằng axit acetic loãng, tiếp theo là rửa lại bằng nước cất và sấy khô đến khi đạt khối lượng không đổi.
Hàm lượng chất không tan được tính theo công thức:
A : khối lượng phễu lọc + giấy + tạp chất sau khi sấy (g)
B : khối lượng phễu lọc + giấy lọc trước khi sấy (g) a : khối lượng chitosan sử dụng (g)
X (%): Hàm lượng chất không tan (%)
7 Phương pháp xác định hiệu suất quá trình bằng phương pháp trọng lượng
Ch ươ ng III: TH Ự C NGHI Ệ M VÀ K Ế T QU Ả
Quy trình đ i ề u ch ế chitin, chitosan và glucosamin hydroclorua
Loại Khoáng Ngâm trong HCl 10%, T s = 12 giờ, T 0 = t 0 phòng
Loại Protein Đun trong NaOH 3%, T s = 3,5 - 4 giờ, T 0 = 90 - 95 0 C
1.Ngâm trong hỗn hợp KMnO4 + C2H2O4
Rửa sạch, sấy khô ở T 0 = 60 0 C Chitin trắng sạch Đun trong NaOH 50%,
Sơđồ 3.1: Quy trình điều chế chitin, chitosan và glu.HCl từ vỏ tôm
Chitosan Đun trong HCl 36%, Ts= 4 giờ,
Rửa trung tính, sấy khô
Tẩy màu, lọc, sấy khô
Đ i ề u ch ế chitin t ừ v ỏ tôm
Cân 40g vỏ tôm khô cho vào cốc 1 lít, sau đó từ từ thêm 200ml HCl 10% để ngập toàn bộ vỏ tôm Quan sát hiện tượng sủi bọt mạnh cho thấy phản ứng đang diễn ra, kiểm tra pH đạt mức 1 - 2 Ngâm hỗn hợp trong khoảng 12 giờ (qua đêm ở nhiệt độ phòng), thỉnh thoảng khuấy để tăng tốc độ phản ứng cho đến khi không còn bọt và khí thoát ra, đồng thời kiểm tra pH vẫn còn axit.
Sau 12 giờ, vớt vỏ tôm ra và rửa sạch bằng nước thường cho đến khi đạt pH=7, sau đó rửa lại bằng nước cất Lúc này, vỏ tôm sẽ có màu hồng nhạt và trở nên mềm mại, do đã loại bỏ hoàn toàn các tạp chất vô cơ.
Vỏ tôm được rửa sạch và để ráo nước, sau đó cho vào bình cầu 500ml Tiếp theo, thêm dung dịch NaOH 3% vào cho đến khi vỏ tôm được ngập hoàn toàn, đồng thời kiểm tra pH đạt mức 11.
Để đạt yêu cầu, quá trình đun phải được thực hiện ở nhiệt độ 90 - 95 độ C trong khoảng 3,5 - 4 giờ, với nắp sinh hàn để ngăn ngừa bọt trào ra ngoài và mùi khó chịu Sau khi kết thúc phản ứng, sản phẩm cần được rửa bằng nước thường đến khi đạt pH=7, sau đó tráng lại bằng nước cất Sản phẩm thu được sẽ có màu trắng phớt hồng.
Chất màu (astaxanthin) có trong chitin được loại bỏ theo 2 phương pháp:
Cho 10ml dung dịch KMnO4 1% vào bình chứa chitin, trộn đều và để ở nhiệt độ phòng trong 1 giờ Sau thời gian này, rửa sạch sản phẩm và nhận thấy màu tím đen, cho thấy vẫn còn nhiều KMnO4 chưa được loại bỏ Cần tiếp tục rửa để loại hết lượng KMnO4 dư thừa.
Khi sử dụng 50ml axit oxalic 1% (HOOC-COOH) với KMnO4, màu tím khó loại bỏ ở nhiệt độ phòng Tuy nhiên, khi đun nóng hỗn hợp ở nhiệt độ 50 - 60 độ C, màu tím sẽ mất hoàn toàn, và sau khi rửa sạch, sản phẩm thu được sẽ có màu trắng đẹp mắt.
Ngâm chitin trong 60ml H2O2 1% qua đêm ở nhiệt độ phòng giúp giảm màu sắc, mặc dù vẫn còn chút hồng Sau khi ngâm, rửa sạch chitin bằng nước và tráng lại với nước cất.
Sấy khô sản phẩm ở nhiệt độ 60 0 C, thu được chitin trắng sạch
Hiệu suất quá trình điều chế chitin được tính theo công thức sau:
Trong đó : m 1: số gam của vỏ tôm ban đầu (g) m 2 : số gam chitin thu được (g)
H 1 (%) : hiệu suất của quá trình (%)
Kết quả thu được như bảng 3.1:
Bảng 3.1 Hàm lượng chitin trong vỏ tôm
STT Vỏ tôm (g) Chitin (g) Hiệu suất (%)
Đ i ề u ch ế chitosan b ằ ng cách deacetyl chitin
Để điều chế chitosan từ chitin, cân 10g chitin vào bình cầu 500ml, sau đó thêm 350ml dung dịch NaOH 50% cho đến khi chitin được ngập hoàn toàn Đun hỗn hợp ở nhiệt độ 110 - 120°C với hệ thống hồi lưu để ngăn bay hơi dung môi và mùi khó chịu, thỉnh thoảng khuấy đều để tăng tốc độ phản ứng trong 4 giờ Sau khi phản ứng hoàn tất, rửa sản phẩm cho đến khi đạt pH=7, sau đó rửa lại bằng nước cất và sấy khô Sản phẩm cuối cùng thu được là chitosan có màu trắng.
Hiệu suất quá trình điều chế chitosan được tính theo công thức:
Trong đó: m 3 : khối lượng chitin tham gia phản ứng (g) m 4 : khối lượng sản phẩm chitosan thu được(g)
H 2 (%) : hiệu suất của quá trình (%)
Kết quả thu được ở bảng 3.2
Bảng 3.2 Hiệu suất điều chế chitosan từ chitin
STT Chitin (g) Chitosan (g) Hiệu suất (%)
Cân 5g chitosan cho vào cốc thủy tinh 1lít, sau đó cho 300ml axit acetic
CH3COOH 1%, khuấy ở nhiệt độ thường trong thời gian 30 phút thu được dung dịch trong suốt Dung dịch được đem đi lọc bỏ cặn bẩn
Sau đó cho 30 ml NaOH 10% vào, khuấy đều trong 10 phút thu được dung dịch keo Lọc lấy kết tủa keo và rửa 3 lần bằng methanol (5ml/lần)
Cho 4,2g chitosan tinh khiết vào bình cầu 250ml, thêm 140ml CH3OH và đun ở nhiệt độ 60-65°C trong 5 giờ Sau đó, lọc và rửa bằng aceton 2 lần, rồi sấy khô ở 40°C, đạt hiệu suất 84%.
Đ i ề u ch ế glucosamin hydroclorua (glu.HCl)
Đ i ề u ch ế glu.HCl t ừ chitin
Cân 5g chitin khô đã cắt nhỏ vào bình cầu 250ml, sau đó thêm 40ml HCl 36% Đun cách thủy với lắp sinh hàn hồi lưu, khuấy đều và duy trì nhiệt độ khoảng 90 - 95 độ C Khi nhiệt độ trong bình đạt 65 - 70 độ C, chitin sẽ tan nhanh chóng tạo thành dung dịch màu nâu đen Thời gian đun cần kéo dài trong 4 giờ.
Sau khi kết thúc thời gian phản ứng, sản phẩm sẽ được lọc nóng để loại bỏ cặn bẩn Tiếp theo, dịch lọc được tẩy màu bằng 1g than hoạt tính và hỗn hợp sau đó được đun nóng đến 90°C, duy trì ở nhiệt độ 50 - 60°C trong 30 phút.
Sau khi lọc bỏ than hoạt tính, chúng ta thu được một dung dịch trong suốt có màu xanh nhạt Khi để dung dịch nguội, màu sắc chuyển sang vàng rơm Dung dịch này cần được bảo quản ở nhiệt độ lạnh.
0 - 4 0 C, thời gian để kết tinh là 12 giờ (để qua đêm)
Tinh thể glu.HCl được tách ra thông qua phương pháp lọc và được rửa sạch bằng cồn 96 độ Sau khi sấy khô ở nhiệt độ 60 độ C, sản phẩm thu được là tinh thể glu.HCl khô, có màu trắng đẹp.
Sau khi lọc kết tinh, dịch lọc được cô đặc bằng cách cất chân không ở nhiệt độ 60 - 65 độ C cho đến khi thể tích giảm còn 1/3 so với ban đầu Sau đó, tiến hành kết tinh và lọc lấy kết tinh, rửa bằng cồn 96 độ và sấy khô.
Hiệu suất của quá trình điều chế glu.HCl từ chitin được tính theo công thức sau:
Trong đó : m 5 : khối lượng chitin ban đầu (g) m 6 : khối lượng glu.HCl kết tinh lần thứ nhất (g) m 7 : khối lượng glu.HCl kết tinh lần thứ hai (g)
H 3 (%): hiệu suất của quá trình (%)
Kết quả thu được ở bảng 3.3
Bảng 3.3 Hiệu suất điều chế glucosamin hydroclorua từ chitin
STT Chitin (g) Glu.HCl (g) Hiệu suất (%)
Đ i ề u ch ế glu.HCl t ừ chitosan
Cân 5 gam chitosan cho vào bình cầu 250ml, thêm từ từ 40ml axit HCl 36% vào bình, sau đó thực hiện các thao tác tương tự như phần 3.4.1 trên
Tính thời gian phản ứng khi chitosan bắt đầu tan vào dung dịch Đun được
Sau 1 giờ, dung dịch có độ nhớt cao, và sau 3 giờ, dung dịch trở nên đặc quánh Để dễ dàng khuấy, thêm 20ml nước cất vào Sau khi kết thúc phản ứng, lọc lấy dịch nước cái có màu nâu đen, được tẩy màu bằng than hoạt tính Do đã pha loãng dung dịch với lượng nước tương đối nhiều, chúng tôi tiến hành cô bớt dung môi để tạo kết tinh Sau khi cô, dung dịch được để nguội ở nhiệt độ 0 - 4 độ C qua đêm Kết quả là chỉ có rất ít tinh thể glu.HCl hình thành, gần như không đáng kể Cuối cùng, lọc lấy kết tinh, rửa bằng cồn và sấy khô.
Hiệu suất của quá trình điều chế glu.HCl từ chitin được tính theo công thức sau:
Trong đó : m8 : khối lượng chitosan ban đầu (g) m 9 : khối lượng glucosamin thu được (g)
Kết quả thu được ở bảng 3.4
Bảng 3.4 Hiệu suất điều chế glucosamin hydroclorua từ chitosan
STT Chitosan (g) Glu.HCl (g) Hiệu suất (%)
Tinh ch ế glu.HCl
Cân 2g glu.HCl vào bình cầu 100ml, sau đó thêm từ từ 25ml cồn 96 độ và đun sôi hỗn hợp Khi hỗn hợp đã sôi, tiếp tục cho nước cất vào từ từ cho đến khi glu.HCl hoàn toàn tan, lượng nước cất cần thêm vào khoảng 5,5 - 6ml Tiếp tục đun sôi trong 60 phút, sau đó lọc nóng và để kết tinh ở nhiệt độ 0 - 4 độ C trong 4 giờ.
Tinh thể được lọc và rửa bằng cồn 96 0 (2 lần x 3ml), sấy khô ở nhiệt độ
Glu.HCl tinh khiết được thu nhận ở nhiệt độ 60 °C Sau khi lọc, dịch được cô đặc để loại bớt dung môi và kết tinh thêm glu.HCl Tinh thể glu.HCl thu được có màu trắng đẹp và nhiệt độ nóng chảy từ 192 đến 194 °C.
Cấu trúc của glu.HCl điều chế ra đã được đo các loại phổ IR, 1 H-NMR,
Phổ IR (Hình 9) cho các vạch đặc trưng sau: ν (OH…O) 3354,44(cm -1 ); ν (N-H)
3289.88(cm -1 ); ν (C-H) 2945,58(cm -1 ); δ (OH phẳng) 1422,37(cm -1 ); δ (OH không phẳng)
Phổ 1 H-NMR và 13 C-NMR cho các kết quả như sau (Hình 10,11):
Hình 9: Phổ IR – glucosamin hydroclorua
Hình 10 : Phổ 1 H-NMR – glucosamin hydroclorua
Hình 11 : Phổ 13 C-NMR – glucosamin hydroclorua
Kh ả o sát ả nh h ưở ng c ủ a th ờ i gian đế n hi ệ u su ấ t đ i ề u ch ế glu.HCl t ừ
Tiến hành phản ứng trong bình cầu 250ml, sử dụng 5g chitin và 40ml HCl 36% ở nhiệt độ 90 - 95 độ C, thực hiện 5 lần với các thời gian khác nhau.
• Lần 1: thời gian phản ứng 1giờ
• Lần 2: thời gian phản ứng 2 giờ
• Lần 3: thời gian phản ứng 3 giờ
• Lần 4: thời gian phản ứng 4 giờ
• Lần 5: thời gian phản ứng 5 giờ
Kết quả thu được được trình bày trong bảng 3.5
Bảng 3.5: Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất của phản ứng
Kh ả o sát ả nh h ưở ng c ủ a nhi ệ t độ đế n hi ệ u su ấ t đ i ề u ch ế glu.HCl t ừ
Tiến hành phản ứng trong bình cầu 250ml theo phương pháp đã nêu ở mục 3.4.1, sử dụng 5g chitin và 40ml HCl 36% cho mỗi lần Thời gian phản ứng là 4 giờ, thực hiện ở các khoảng nhiệt độ khác nhau.
• Lần 1: khoảng nhiệt độ 25 - 30 0 C (nhiệt độ phòng)
Kết quả thu được được trình bày trong bảng 3.6:
Bảng 3.6 : Ảnh hưởng của nhiệt độđến hiệu suất phản ứng:
Kh ả o sát ả nh h ưở ng c ủ a n ồ ng độ axit HCl đế n hi ệ u su ấ t đ i ề u ch ế
Tiến hành phản ứng trong bình cầu 250ml với 5g chitin, kéo dài trong 4 giờ ở nhiệt độ 90 - 95 độ C, trong điều kiện nồng độ axit hydrocloric khác nhau.
• Lần 1: Nồng độ axit HCl 10%.
• Lần 2: Nồng độ axit HCl 20%.
• Lần 3: Nồng độ axit HCl 36%.
Kết quả thu được được trình bày trong bảng 3.7
Bảng 3.7.Ảnh hưởng của nồng độ axit HCl đến hiệu suất phản ứng
Ch ươ ng IV: K Ế T QU Ả VÀ BÀN LU Ậ N
Đ i ề u ch ế chitin t ừ v ỏ tôm
Quá trình kh ử khoáng
Vỏ tôm chủ yếu chứa các khoáng chất như muối CaCO3, MgCO3 và một lượng nhỏ Ca3(PO4)2 Để khử khoáng, người ta thường sử dụng các loại axit như HCl và H2SO4, trong đó HCl mang lại hiệu quả cao hơn.
H 2 SO 4 sẽ tạo muối khó tan nên ít sử dụng
MgCO 3 + 2HCl = MgCl 2 + CO 2 + H 2 O CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + CO2 + H2O
Ca 3 (PO 4 ) 2 + 6HCl = 3CaCl 2 + 2H 3 PO 4 Trong quá trình rửa thì muối Cl - tạo thành được rửa trôi, nồng độ axit HCl có ảnh hưởng lớn đến chất lượng của chitosan thành phẩm, đồng thời nó ảnh hưởng lớn tới thời gian và hiệu quả khử khoáng Nếu nồng độ HCl cao sẽ rút ngắn được thời gian khử khoáng nhưng sẽ làm cắt mạch do có hiện tượng thủy phân các liên kết β-(1-4) glucozit để tạo ra các polyme có trọng lượng phân tử trung bình thấp, có khi bị thủy phân triệt để đến glucosamin Ngược lại nếu nồng độ HCl quá thấp thì quá trình khử khoáng sẽ không triệt để và thời gian xử lý kéo dài ảnh hưởng tới chất lượng của sản phẩm
Tỷ lệ nguyên liệu và nồng độ axit HCl có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả khử khoáng Chúng tôi đã chọn dung dịch HCl 10% với tỷ lệ chitin/HCl là 1/5 và thời gian khử khoáng kéo dài 12 giờ (qua đêm) để đảm bảo quá trình khử khoáng diễn ra hoàn toàn.
Sau khi khử khoáng, chúng tôi thực hiện rửa trung tính để loại bỏ hoàn toàn các muối và axit dư có trong nước Quá trình rửa sẽ kết thúc khi dịch rửa đạt pH = 7.
Quá trình lo ạ i b ỏ protein
Sau khi loại bỏ khoáng từ vỏ tôm, chúng tôi sử dụng dung dịch NaOH 3% để loại bỏ hoàn toàn protein Quá trình này diễn ra bằng cách kiềm thủy phân protein thành các amin tự do tan, sau đó loại bỏ chúng qua rửa trôi Lượng NaOH 3% được thêm vào cho đến khi ngập toàn bộ vỏ tôm và kiểm tra pH đạt 11 - 12 để đảm bảo protein được loại bỏ hoàn toàn Nhiệt độ đun được duy trì ở mức 90 - 95 độ C trong khoảng 3,5 - 4 giờ, cần lưu ý vấn đề trào dung môi do tạo bọt nhiều và mùi khó chịu phát sinh trong quá trình đun.
Sản phẩm sau khi đun được rửa sạch bằng nước thường và nước cất đến pH = 7
Chúng tôi tiến hành rửa trung tính để loại bỏ muối natri, amin tự do và NaOH dư thừa Sau đó, sản phẩm được sấy khô ở nhiệt độ 60°C, thu được chitin thô.
Quá trình t ẩ y màu (lo ạ i b ỏ astaxanthin)
Chitin thô có màu hồng nhạt do sự hiện diện của sắc tố astaxanthin Vì chitin ổn định với các chất oxy hoá như thuốc tím (KMnO4), oxy già (H2O2) và nước javen (NaOCl+NaCl), chúng tôi đã sử dụng KMnO4 và H2O2 để khử màu cho chitin.
Sử dụng hỗn hợp KMnO4 1% và C2H2O4 1% để tẩy màu chitin thô, được phân lập từ 40g vỏ tôm Đầu tiên, cho chitin vào cốc thủy tinh, sau đó thêm 10ml dung dịch KMnO4 1% và khuấy đều để chitin ngấm đều dung dịch.
KMnO 4 1%, để ở nhiệt độ phòng trong thời gian 1 giờ Hỗn hợp được rửa sạch, sản phẩm chitin lúc này có màu tím của KMnO4 Để loại màu tím chúng tôi sử dụng 50ml axit oxalic 1% ((COOH) 2 ), để tăng nhanh khả năng tẩy màu chúng tôi đun nóng hỗn hợp dung dịch ở nhiệt độ 50 - 60 0 C đến khi chitin có màu trắng hoàn toàn
Một số tác giả cho rằng sản phẩm của phản ứng tạo ra Mn 2+, trong khi chitin - chitosan chứa nhóm –NHCOCH3 và –NH2 Các nhóm này có khả năng tạo phức với Mn 2+, dẫn đến hiện tượng khâu mạch, ảnh hưởng đến các phản ứng chuyển hóa tiếp theo.
Sử dụng dung dịch H2O2 1% để tẩy màu chitin thô từ 40g vỏ tôm bằng cách ngâm trong 60ml dung dịch H2O2 1% qua đêm ở nhiệt độ phòng, giúp chitin có màu trắng phớt hồng Để tránh hiện tượng oxy hóa phá mạch phân tử chitin - chitosan, nồng độ H2O2 nên giữ dưới 1,5% Nếu chitin sau khi tẩy vẫn còn màu phớt hồng, việc đun nóng nhẹ ở nhiệt độ 50 - 60 độ C sẽ giúp chitin trắng hơn.
Chitin sau khi trải qua quá trình tẩy màu sẽ được rửa sạch bằng nước thường và sau đó là nước cất Sau khi sấy khô ở nhiệt độ 60 độ C, sản phẩm thu được là chitin khô sạch với màu trắng.
Lượng chitin thu được dao động từ 10,87g – 14,33g (27,2 – 35,8%).
Đ i ề u ch ế chitosan
Phương trình phản ứng điều chế chitosan từ chitin :
Quá trình điều chế chitosan từ chitin là quá trình deacetyl hoá, trong đó nhóm –NHCOCH3 được chuyển hoá thành nhóm –NH2 và loại bỏ nhóm acetyl -CH3CO, tạo ra muối natri (CH3COONa) Để đạt được deacetyl hoá hoàn toàn, chúng tôi sử dụng NaOH 50% trong 4 giờ ở nhiệt độ 110 - 120°C Chitosan có khả năng tan trong dung dịch axit loãng, tạo thành dung dịch keo trong suốt, trong khi chitin không tan Để kiểm tra mức độ chuyển hoá, sản phẩm được cho vào CH3COOH 1%, nếu tan thành dung dịch keo trong suốt thì đạt yêu cầu Sau đó, sản phẩm được rửa trung tính và sấy khô, chitosan thu được có màu trắng sáng với hiệu suất tương đối cao, đạt từ 63,3% đến 74,7%.
Đ i ề u ch ế glucosamin hydroclorua (glu.HCl)
Đ i ề u ch ế glu.HCl t ừ chitosan
Phương trình phản ứng thủy phân chitosan bằng axit HCl:
Tiến hành thí nghiệm với chitosan dưới điều kiện tối ưu đã chọn từ chitin, thời gian tan chitosan kéo dài từ 1h15 phút đến 1h30 phút, gây khó khăn trong việc khuấy đảo do dung dịch đặc quánh Sau khi lọc nóng để loại bỏ chất không tan, thu được một lượng lớn chất keo nhớt đặc Dịch lọc được tẩy màu bằng than hoạt tính, sau đó lọc và cô đặc để loại bớt dung môi, kết tinh qua đêm nhưng chỉ thu được rất ít tinh thể glu.HCl Sản phẩm keo đã được hút kiệt nước và kiểm tra sơ bộ bằng cách cho mẫu keo vào hai cốc thủy tinh: cốc 1 chứa nước cất và cốc 2 chứa dung dịch axit acetic 1%, khuấy trong 20 phút để đánh giá kết quả.
+) Cốc 1: Chất keo không tan tạo thành dạng huyền phù
+) Cốc 2: Chất keo tan tạo thành dung dịch trong suốt
Chúng tôi nhận thấy rằng việc chuyển hóa chitosan thành glu.HCl dưới điều kiện HCl 36%, nhiệt độ 90 - 95 độ C và thời gian 4 giờ là khó thực hiện, với hiệu suất sản phẩm glu.HCl chỉ đạt 12% Nguyên nhân có thể do khi cho HCl đặc vào dung dịch và đun nóng, axit HCl kết hợp với nhóm –NH2 của chitosan, tạo ra chitosan hydroclorua (-NH2.HCl) ở dạng keo bền không tan trong nước, gây cản trở quá trình thủy phân và làm giảm sản lượng glu.HCl.
Phản ứng xảy ra như sau:
Mặc dù công thức cấu tạo của chitin và chitosan cho thấy việc tạo ra glu.HCl từ chitosan có thể dễ dàng hơn, nhưng thực tế lại cho thấy hiệu suất thu được từ chitosan rất thấp Nguyên nhân là do chitosan bị cắt mạch, dẫn đến sự hình thành các polyme đơn giản hơn như oligome, trong khi phần không tan còn lại bị giữ lại trên phễu lọc Chỉ một lượng rất nhỏ chitosan được thủy phân triệt để để tạo thành glu.HCl.
Sau thời gian nghiên cứu các khía cạnh khác nhau của đề tài dựa trên các mục tiêu đã đề ra, chúng tôi đã đạt được một số kết quả đáng chú ý.
1 Điều chế ra chitin, chitosan từ vỏ tôm phế thải Với hàm lượng chitin thu được từ vỏ tôm 27,18 - 35,83%, hàm lượng chitosan thu được từ chitin 63,3 - 74,7%
2 Điều chế ra glucosamin hydroclorua theo con đường từ chitin Với hàm lượng glu.HCl thu được tương đối cao (62,8% so với chitin)
3 Sơ bộ khảo sát tìm được điều kiện tối ưu hóa cho quá trình điều chế glucosamin hydroclorua từ chitin Với điều kiện axit HCl đặc 36%; nhiệt độ phản ứng 90 – 95 0 C; thời gian phản ứng là 4 giờ
M ộ t s ố ki ế n ngh ị và đề xu ấ t:
Do giới hạn về thời gian và kinh phí, một số thí nghiệm chưa thể thực hiện Do đó, nếu có điều kiện trong tương lai, chúng tôi mong muốn tiếp tục các nghiên cứu này.
1 Hoàn thiện quy trình sản xuất chitin, chitosan từ vỏ tôm phế thải từ các nhà máy chế biến thủy sản, đông lạnh,… sao cho điều kiện là tối ưu hóa và áp dụng được trên quy mô sản xuất công nghiệp
2 Điều chế glucosamin dạng tự do từ chitin, chitosan làm nguyên liệu sạch cho các nghiên cứu tổng hợp các hợp chất quan trọng khác có ứng dụng lớn tới đời sống con người
TÀI LI Ệ U TI Ế NG VI Ệ T
1 Nguyễn Đức Ý (Texas-Hoa Kỳ) “Dinh dưỡng với viêm khớp” Tạp chí sức khỏe đời sống, N 0 344, tr 9 - 10, 2006
2 Bách khoa toàn thư bệnh học NXB từ điển BKHN, tập 2, tr 68 - 70,
3 Trần Thị Luyến, Huỳnh Nguyễn Duy Bảo và một số cộng sự “Hoàn thiện quy trình sản xuất chitin - chitosan và chế biến một số sản phẩm công nghiệp từ phế liệu vỏ tôm, cua” Báo cáo khoa học, Đề tài cấp bộ Nha Trang, 2000
4 Phạm Lê Dũng, Trịnh Bình, Lại Thu Hiền và cùng các cộng sự “Vật liệu sinh học từ chitin” Viện hóa học - Viện công nghệ sinh học, Trung tâm khoa học tự nhiên và Công nghệ quốc gia Hà Nội, 1997
5 Đào Tố Quyên, Nguyễn Thị Lâm, Hà Thị Anh Đào & cộng sự “Nghiên cứu thử nghiệm PDP (chitosan) làm chất phụ gia trong sản xuất giò lụa, bánh cuốn” Viện dinh dưỡng Trung tâm kỹ thuật an toàn vệ sinh thực phẩm Việt Nam
6 Nguyễn Thị Huệ, Bùi Thị Huyền “Nghiên cứu thủy phân chitosan bằng axít hữu cơ” và “Nghiên cứu phản ứng chitosan bằng axít Fomic và axít Acetic” Hội nghị khoa học và công nghệ hóa hữu cơ toàn quốc lần thứ III, tr 210 - 221, 2005
7 Nguyễn Thị Đông, Đỗ Trường Thiện, Nguyễn Văn Hoan “Ứng dụng chitosan khối lượng phân tử thấp để kích thích sinh trưởng đối với cây lúa” Tuyển tập các công trình hội nghị khoa học và công nghệ hóa hữu cơ toàn quốc lần thứ 3, tr 445 - 449, 2005
8 BS.Huỳnh Bá Lĩnh “Glucosamin, thuốc mới điều trị bệnh viêm khớp”
Bệnh Viện Việt Đức Hà Nội Tài liệu truy cập mạng internet, theo địa chỉ :vietduchospital.edu.vn
9 Ts Nguyễn Vĩnh Ngọc “Thuốc điều trị thoái hóa khớp” Khoa xương khớp Bệnh Viện Bạch Mai Hà Nội Tạp chí Sức khỏe & đời sống ra ngày 30/5/2006, số 964
Nghiên cứu của Lưu Văn Chính, Châu Văn Minh, Phạm Hữu Điển, Vũ Mạnh Hùng và Ngô Thị Thuận, đăng trong Tạp chí Dược học số 9 năm 2000, đã tổng hợp và phân tích tác dụng hạ cholesterol máu của N,N,N-trimethyl chitosan (TMC) Kết quả nghiên cứu cho thấy TMC có khả năng giảm mức cholesterol trong máu, mở ra triển vọng ứng dụng trong điều trị các bệnh liên quan đến lipid máu.
Nghiên cứu của Vũ Thị Ngọc Thanh, Đoàn Trọng Phụ và Nguyễn Thị Ty, đăng trong Tạp chí Dược học số 9 năm 2000, đã chỉ ra tác dụng của chitosan trong việc tăng sinh collagen, đặc biệt trong điều trị bỏng nhiệt thực nghiệm Kết quả nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho việc cải thiện quá trình phục hồi da và điều trị các tổn thương do bỏng.
